Etude d’un système hybride éolien photovoltaïque avec

stockage : dimensionnement et analyse du cycle de vie Dhaker ABBES*, André MARTINEZ

*, Gérard CHAMPENOIS

†, Jean Paul GAUBERT

†

* EIGSI, 26 rue de vaux de Foletier, 17041 La Rochelle Cedex France Dhaker.abbes@eigsi.fr † LAII- ESIP Bât de Mécanique 40, Avenue du Recteur Pineau 86022 Poitiers Cedex France

Résumé—Dans ce papier, nous présentons l’étude d’un

système hybride éolien photovoltaïque avec stockage pour

un habitat résidentiel de 4 personnes à La Rochelle en

France. Cette étude comprend le dimensionnement du

système, l’évaluation de ses performances ainsi que l’analyse

économique et environnementale de son cycle de vie. Les

résultats montrent un impact environnemental faible et un

coût raisonnable du point de vue économique.

Mots-clés—“système hybride”, “dimensionnement”

“optimisation”, “analyse du cycle de vie”, “écobilan”

I. INTRODUCTION

L’énergie électrique provenant de sources renouvelables,

en particulier le vent et le soleil, est considérée comme

une alternative de production importante dans les

systèmes d’énergie électrique du monde d’aujourd’hui.

En effet, les systèmes éoliens et photovoltaïques ont

connu un grand essor ces derniers temps et sont devenus

de plus en plus accessibles en terme de technologies et de

coûts. Une fois installés, ces systèmes ne dépendent

d’aucune source ou réseau et présentent l’avantage de se

trouver à proximité des sites de consommation.

Cependant nous pouvons nous poser quelques questions.

Sont-ils énergétiquement efficaces ? Quel est le temps de

retour sur investissement de ces systèmes ?

Plusieurs travaux de recherche ont abordés ces questions.

A. Stoppato [1] s’est intéressé à l’évaluation du cycle de

vie de la production d'électricité par panneaux

photovoltaïques. Son étude s’est basée sur l’estimation

des flux d'énergie au cours des différents processus de

production dès l'extraction du silicium jusqu’au montage

final des panneaux. On peut citer aussi Carl Johan Rydh

& Bijörn A. Sandén [2] qui ont étudié les besoins en

énergie pour la production d’un système autonome

photovoltaïque avec stockage en considérant une variété

de technologies de batteries et dans différentes conditions

de fonctionnement.

Du côté éolien, on peut évoquer l’étude menée par Brian

Fleck & Marc Huot [3] et qui emploient une méthode

d'évaluation du cycle de vie pour comparer directement

les impacts environnementaux, les besoins finaux

d'énergie, et le coût du cycle de vie de deux systèmes: un

système autonome de petites éoliennes à comparer avec

un générateur diesel. La publication d’Eduardo Martínez

et al. [4] dédiée à l’analyse du cycle de vie d’une éolienne

de forte puissance est aussi intéressante surtout qu’elle

prend en compte la plupart des composants de l’éolienne.

Il existe aussi dans la littérature quelques travaux

synthétiques des impacts environnementaux des systèmes

de production à bases de sources renouvelables. A titre

d’exemple, on peut mentionner les analyses économique

et environnementale faite par Varun et Al. [5] [6].

Néanmoins, la majorité des travaux mentionnés

s’intéressent aux systèmes de production séparément et

dans la plupart des cas concerne le domaine des grandes

puissances surtout pour les éoliennes. Les études sur

l’analyse du cycle de vie de systèmes multi sources sont

rares pour des maisons autonomes par exemple. C’est la

raison pour laquelle nous avons entamé l’étude d’un

système hybride éolien photovoltaïque avec stockage

pour un habitat résidentiel à La Rochelle. Cette étude

comprend la modélisation du système complet,

l’optimisation de son dimensionnement, l’évaluation de

ses performances ainsi que l’analyse économique et

environnementale de son cycle de vie.

Dans le premier paragraphe, nous présentons les données

utilisées. Dans le second, nous proposons une description

complète du système. Ensuite, nous exposons les résultats

du dimensionnement optimal qui prend en compte les

conditions de l’étude et les performances souhaitées.

Enfin, nous présentons une évaluation économique et

environnementale du système complet.

II. DONNEES : SOURCES ET PROFIL DE CONSOMMATION

L’étude présentée dans cet article est faite pour un habitat

résidentiel de 4 personnes à La Rochelle. Après étude et

analyse statistique des données sources sur plusieurs

années, nous avons établi une année type à l'échelle

horaire et supposé reproduite 25 fois, la durée de vie de

notre système.

Pour l’irradiation et la température ambiante, nous avons

utilisé des données horaires types synthétisées par le

logiciel Meteonorm version 6.0 [7].

Pour la vitesse du vent, nous avons généré des données

horaires types pour une année par transformation inverse

de la distribution de Weibull à partir d’acquisitions mi-

horaire disponibles sur un site spécialisé dans les mesures

météorologiques [8].

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000

200

400

600

800

1000

1200

Temps (h)

Ray

onne

men

t gl

obal

35°(W

/m²)

Irradiation globale à La Rochelle (W/m²)

a

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Temps (h)

Tem

péra

ture

am

bian

te(°C

)

Température ambiante à La Rochelle pour une année type

b

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Temps (h)

Vite

sse

du v

ent

(m/s

)

Vitesse du vent à La Rochelle pour une année type(m/s)

c

Fig.1. Données météorologiques pour une année type à La Rochelle (a) Rayonnement global

(b) Température ambiante (c) Vitesse de vent

Selon ces données, l’irradiation globale à La Rochelle est

importante pendant la journée durant les mois compris

entre Mars et Septembre. Le potentiel photovoltaïque est

estimé à 192.2Kwh/an/m² alors que celui de l’éolien est

d’environ 429.5Kwh/an/m². Par conséquent, le potentiel

éolien est plus important pour le site étudié.

Concernant les besoins en électricité de l’habitat

résidentiel, nous avons considéré un profil de

consommation établi suite à une étude développée sur les

besoins énergétiques d’un foyer type de 120m² avec 4

personnes, hors cuisson, eau chaude sanitaire et chauffage

du logement, avec une période de moyennage d’une

heure. Il est établi sur la figure 2 selon des journées types

et prend en considération les variations de saisons.

Fig.2. Consommation journalière de l’habitat résidentiel considéré

Selon ce profil, la consommation annuelle de l’habitat est

estimée à 2688 Kwh.

III.MODELISATION DU SYSTEME

A. Générateur éolien

La puissance électrique générée par l’éolienne est donnée

par [9]:

33

2

1.

2

1wg AVtAVggbCpP ρηρηη ⋅=⋅⋅⋅⋅= (1)

Avec:

ρ: densité de l’air (1.275 Kg/ 3m ), V :Vitesse du vent,

A : surface balayée par le rotor,

Pw

PexCp = : Rendement de la turbine éolienne,

Pex

Pggb =η : Rendement du multiplicateur de vitesse,

Pg

Peg =η : Rendement de la génératrice,

Pour notre étude, nous avons considéré des éoliennes à

trois pâles avec un rendement global intéressant (ηt =

47% [10, 11]).

B. Générateur photovoltaique

La puissance électrique générée par les panneaux

photovoltaïques est donnée par [12]:

IgAggP ..pv η= (2)

ηg: rendement du module qui dépend de la température

de la cellule et par conséquent de la température

ambiante,

Ag : sa surface,

Ig : l’irradiation [W/m²]. Dans notre travail, nous avons choisi des modules

polycristallins au Silicium avec un rendement de l’ordre

de 13%.

C. Batterie

La plupart des batteries utilisées dans les systèmes

hybrides de type Plomb-acide sont à cyclage profond

[13]. Le modèle simple d’une telle batterie est représenté

à la figure 3. Il s’agit d’un modèle idéal avec V0, Rbat,

Vbat représentant respectivement la tension en circuit

ouvert, la résistance interne équivalente et la tension aux

bornes.

Fig.3. Modèle idéal d’une batterie Plomb-acide

L’état de charge des batteries (SOC) est soumis aux

contraintes suivantes :

max)(min SOCtSOCSOC ≤≤ (3)

Avec SOCmax et SOCmin étant les capacités de stockage

maximal et minimal permises. SOCmax correspond à la

capacité nominale des accumulateurs assemblés Cn. Cette

dernière est liée au nombre total de batteries Nbat, au

nombre de batteries montées en série, Nbats et à la

capacité nominale de chaque batterie, Cbat [14] par :

CbatNbatsNbatCn )./(= (4)

SOCmax et SOCmin sont liées par la formule suivante :

SOCmin=(1-DOD).SOCmax (5)

DOD étant la profondeur de décharge.

Les batteries sont connectées en série pour atteindre la

tension de bus continu Ubus souhaitée (dans notre cas

48V) et sont branchées en parallèle pour obtenir la

capacité de stockage désirée (en Ah). L’équation (6)

présente comment calculer le nombre de batteries en série

à partir de la tension du bus continu et la tension

nominale de chaque batterie Vbat (dans notre cas 12V) :

Nbats=Ubus/Vbat = 48/12=4 (6)

La charge et la décharge des batteries sont contrôlées par

la différence entre l’électricité produite par les sources

renouvelables (Pres) et les besoins énergétiques de

l’habitat (Pload). Un switcher assure la gestion de

l’énergie de manière que le banc de batteries ne soit

connecté que dans deux cas de figures:

*Si l’état de charge des accumulateurs est inférieur à

SOCmax (fixé à 100%) et Pload<Pres, alors l’excès de

production (Pres-Pload).∆t est stockée dans les batteries,

*Si l’état de charge de la batterie est supérieur à SOCmin

(fixé à 20%) et Pload>Pres, alors dans ce cas l’énergie

précédemment stockée est utilisée pour combler le

manque de production (Pload-Pres).∆t.

IV.OPTIMISATION DU DIMENSIONNEMENT

Ce paragraphe a pour but de dimensionner le système

hybride Eolien – Photovoltaïque par simulation

dynamique. Nous cherchons à déterminer la surface

balayée par l’éolienne (Awt) et par conséquent la

puissance produite, la surface du module photovoltaïque

(Apv) et la capacité de stockage de batteries (Cn en Ah)

de manière à satisfaire au moins 95% de la demande en

énergie électrique de l’habitat avec un coût d’acquisition

des composants du système le plus faible possible.

Pour cela, le prix de chaque composant a été estimé en

fonction de sa variable de décision. En effet, à partir de

différents catalogues constructeurs [15] [16], nous avons

déterminé le prix d’achat d’une éolienne en fonction de la

surface balayée par son rotor :

Prix_wt = 543.15Awt + 159.37 (7)

Pour les modules photovoltaïques, selon le site spécialisé

Wholesalesolar.com [17], nous avons établi un prix de

277.58€/m².

En ce qui concerne les batteries, nous avons choisi la

technologie Acide Plomb pour des questions de coûts et

de performances avérées. Son prix s’élève à 138€/KWh

[18].

Le dimensionnement a été obtenu par simulation

dynamique du système sous Matlab/Simulink et à l’aide

des outils d’optimisation présents dans « Optimization

toolbox » [19]. La fonction utilisée (« fmincon ») est bien

adaptée aux problèmes non linéaires [20]. En plus, afin

d’approcher au maximum l’optimum global, la routine

d’optimisation a été reproduite une dizaine de fois avec

des conditions initiales différentes. La solution avec le

coût le plus faible se trouve à la figure 4. Elle a été

obtenue à la 63 ème itération en partant des conditions

initiales [Apv_in=0, Awt_in=0, Cn_in=10] et après 699

évaluations de la fonction objective.

*Conditions d’arrêt de l’algorithme d’optimisation : Dépassement des 5% de manque de production inférieur à

1E-6 et variation du côut de production inférieur à 2 E-6, d’où la forme des allures obtenues.

Fig.4. Résultats d’optimisation de la solution retenue

Le dimensionnement optimal du système est obtenu par :

- une surface de panneaux photovoltaïques installée de

2.129 m². D’un point de vue de la satisfaction du critère

énergétique (assurer au moins 95% de l’énergie de la

charge), il est décidé d’installer deux panneaux PV plutôt

qu’un seul ; par exemple de type Sharp 170, qui présente

le meilleur rapport qualité/prix chez les fabricants

(surface totale de 1.649*2 = 3.298 m² et prix d’achat de

900 euros).

- une surface balayée par le rotor de l’éolienne de

7.209m², Ce qui reviendrait à installer une éolienne de

type Kestrel Wind(1000) [16] de 7.07m² de surface

(surface balayée industrielle la plus proche avec un bon

rapport qualité/prix) et un coût approximatif de 2300

euros,

- une capacité de stockage Cn = 97.579 Ah, donc on peut

installer 4 batteries en série de type power-sonic

12V/103Ah avec un prix total d’achat de 695 euros [21].

V.EVALUATION DES PERFORMANCES

Un des objectifs de la procédure d’optimisation est

d’obtenir un dimensionnement qui assure les besoins en

électricité de l’habitat résidentiel à 95% au moins et

présentant un excès de production raisonnable garantie

d’un système bien dimensionné. Dans ce paragraphe,

nous avons cherché à évaluer les performances obtenues

selon le critère énergétique. Les résultats pour l’année

type si on installe les composants choisis (c'est-à-dire 2

panneaux Sharp 170, une éolienne Kestrel 1000 et 4

batteries en série de type power-sonic 12V/103Ah) sont

décrits dans la figure 5. 83% de l’énergie produite est

assurée par l’éolienne et 17% par le panneau

photovoltaïque. Le manque de production est de 3.307%

(bien inférieur au 5% exigé). Il peut être surmonté grâce

au délestage. L’excès de production est raisonnable et

peut être utilisé pour cuisiner ou pour soutenir le

chauffage de l’eau.

2688 Kwh

633.9 Kwh

3037Kwh

500.6Kwh

88.9Kwh

Besions

annuels de

l'habitat

Production

photovoltaique

Production

éolienne

Excès de

production

Manque de

production

*Résultats obtenus par simulation sous Matlab/Simulink (Variable-step, ode45 (Dormand-Prince)

Fig.5. Bilan énergétique de l’année type avec la configuration optimale

Concernant l’état de charge des batteries, il est important

de signaler que tout au long de l’année celui-ci est

toujours compris entre 20 % et 100% comme le montre la

figure 6 : ce qui respecte l’objectif que nous nous étions

fixé au niveau de la gestion de la batterie.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 900010

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110Etat de charge des battries

SO

C(%

)

Temps (h)

*Résultats obtenus par simulation sous Matlab/Simulink (Variable-step, ode45 (Dormand-Prince))

Fig.6.Etat de charge des batteries tout au long de l’année

VI.ANALYSE DU CYCLE DE VIE

Dans cette partie nous avons établi une évaluation

économique et écologique du système tout au long de sa

vie.

A. Analyse économique (Life cycle cost analysis)

L’analyse économique est importante car elle permet de

connaître les coûts du projet durant toute sa durée de vie.

Elle prend en compte les coûts globaux de tous les

composants du système. Cela inclut le prix du matériel, le

coût de l’installation, de remplacement et de

maintenance. Le coût de l’installation comprend celui

des panneaux estimé à 0.8€/W et celui de la chaîne de

conversion éolienne estimé à 25% du coût total de

l’éolienne et de la tour. On suppose que le prix de la tour

est de 1200€ (12m*100 €/ m [22]). De plus, il faut

prévoir 1000€ pour les composants nécessaires au bon

fonctionnement du système (Balance-Of-System

components BOS) tels que les câbles, les connecteurs, les

protections, le logement des batteries et le rack pour les

panneaux. A tout cela s’ajoute les coûts d'entretien

annuels fixés à 2,5% du coût total du capital.

Le tableau I montre le calcul du coût de cycle de vie LCC

(Lyfe Cycle Cost) pour notre système hybride. Il est basé

sur un taux d'actualisation de 5%, un taux d'inflation de

3% et une durée de vie de 25 ans. Selon cette évaluation

économique, il est clair que notre configuration optimale

a un acceptable LCC (ou coût de cycle de vie). Si on

suppose que l’année type est reproduite pour les 25 ans,

le coût du KWh produit par le système hybride avec des

sources renouvelables revient à [23]:

25]./_[__Pr

anproduiteEnergie

LCCrekwhix =

= 16159.17/[(3037+633.9)*25]=0.176€/KWh (11)

Ce qui est raisonnable pour une maison autonome par

comparaison aux tarifs proposés par EDF Bleu Ciel avec

un prix du KWh d’énergie conventionnelle avec

raccordement au réseau de 0.12€/KWh (puissance

souscrite de 6KVA, offre de base) [24]

Element Coût (€)

Valeur

actuelle (€)

%

Total

LCC

Coûts initiaux

Panneau 900 900 5.57

Eolienne 2300 2300 14.233

Batteries 695 695 4.3

Tour d’éolienne (12m) 1200 1200 7.426

Régulateur de charge 150 150 0.928

PV controleur mppt 420 420 2.6

Onduleur 840 840 5.198

BOS 1000 1000 6.188

Installation 1147 1147 7.098

Coûts récurrents

Maintenance 216.3 4251.9 26.313

Remplacement

Batteries 5 ans 695 631.28 3.906

Batteries 10 ans 695 573.4 3.548

Batteries 15 ans 695 520.84 3.223

Batteries 20 ans 695 473.09 2.928

Régulateur de charge 15 years 150 112.41 0.695

PV contrôleur mppt 15 years 420 314.75 1.948

Onduleur 15 years 840 629.5 3.896

Totals 16159.17€ 100

Tableau I : Evaluation Economique du système hybride

(LCC ANALYSIS)

B. Analyse écologique (Life cycle assessement :

ecobilan)

L’analyse est basée sur l’étude de l’impact

environnemental du système en termes d’énergie primaire

nécessaire à la production de ses différents composants

(« embodied energy » exprimée en MJ ou Kwh) et aussi

en termes d’émissions de gaz à effet de serre tel que le

CO2 (exprimé en Kg) au cours de sa vie. Pour les

panneaux photovoltaïques, les batteries et les composants

supplémentaires (BOS), nous avons admis les hypothèses

et les données présentées par Tom Markvart et Luis

Castañer dans le livre « Practical Handbook of

Photovoltaics: Fundamentals and Applications » [25].Ces

dernières sont récapitulées dans le tableau qui suit :

Hypothèses 1- Les données présentées concernent un module type multi cristallin silicium avec

châssis en aluminium.

2- On suppose un taux de recyclage optimiste de 90% pour la ferraille de batteries.

3- Les composants complémentaires tels que les câbles ou les régulateurs de charge

ont des besoins en énergies primaires relativement faibles (<10% du système

installé).

4- On assume une amélioration annuelle de 1% de l’efficacité pour le traitement des

matériaux et les processus de fabrication.

5- L’approximation des émissions CO2 est faite en considérant que les émissions

CO2 ne sont liées qu’à la phase de production des composants et en évaluant

toutes les énergies nécessaires en tant qu’électricité produite par cogénération.*

Données Panneau PV

Processus Besoins en énergies

primaires (MJ/m²)

Besoins en énergies

primaires (Kwh**/m²)

Extraction et purification

du silicium

2200 611.6

Production des tranches

de silicium

1000 278

Traitement des cellules et

du module

Encapsulation des

matériaux du module

300

200

83.4

55.6

Besoins supplémentaires

pour la fabrication des

équipements

500 139

Installation du châssis (en

aluminium)

400 111.2

Total 4600 1278.8

Autres composants Batterie 11MJ/Ah 3Kwh/Ah

Régulateur de charge 1MJ/Wel 0.278Kwh/Wel

PV contrôleur mppt 1MJ/Wel 0.278Kwh/wel

Onduleur 1.6 MJ/Wel 0.44Kwh/Wel

Composants

supplémentaires (BOS)

700 MJ/m² 194.6Kwh/m²

Emissions CO2

Facteur d’émission*** 0.066 Kg/MJ (primaire) 0.06 Kg/kwhelec

* Avec adaptation : hypothèse élargie à tous les composants même y compris les batteries et les

composants supplémentaires (BOS)

** 1Kwh=3.6 MJ ou 1MJ=0.278 Kwh

*** Adapté au cas particulier de la France où la production de l’électricité est assurée en grande

partie par le nucléaire Tableau II : Hypothèses et données utilisées pour le bilan écologique

des panneaux photovoltaïques, des batteries et des composants supplémentaires

Pour l’éolienne, nous avons effectué notre propre analyse

vu le manque de données concernant les processus de

fabrication des petites éoliennes et le nombre limité des

travaux consacrés aux bilans écologiques de ces

machines. L’éolienne retenue est de type Kestrel Model

E300i 1000 Watt 48 Volt. Elle pèse 75 Kg [26]. Le

tableau III fait l’inventaire de ses constituants. Les

informations s’inspirent des références [3], [27] et [28].

* En raison du manque

de données, une

hypothèse a été faite

d'inclure les aimants

permanents dans la

catégorie d’aluminium

en raison de son

énergie intrinsèque

élevée.

** Béton type RC30

utilisé pour les

fondations (« 25 %

cement replacement

flyash »)

Eolienne Composant % Poids de

l’éolienne

Répartition des

matériaux

Poids des

matériaux en kg

Rotor

Moyeu 4% 95% Acier, 5 %

Aluminium

2.85 kg Acier ,

0.15kg Aluminium

pâles 10% 100% fibre de

verre moulé

7.5 Kg fibre de

verre

Nacelle

Boite de vitesse 6% 100% Acier 4.5Kg Acier

Génératrice 15% 50% aimants, 20%

Acier, 30% Cuivre

5.625Kg aimants,

2.25Kg Acier,

3.375Kg Cuivre

Autres

Carcasse 35% 30% Aluminium,

12% Cuivre,

5% plastique

renforcé de verre,

53% Acier

7.875Kg

Aluminium,

3.15 Kg Cuivre,

1.3125Kg plastique

renforcé de verre,

13.9125Kg Acier

Autres composants

(câbles, supports

internes et cartes

électroniques)

30% 80% Acier,

20% Cuivre

18 Kg Acier

4.5 Kg Cuivre

Tour Tour Poids de la tour

estimé à 226 Kg

98% Acier, 2%

Aluminium

221.48 Kg Acier

4.52 Kg Aluminium

Fondations Pieux de fondations et

plate-forme

Poids total

estimé à 416 Kg

97% Béton, 3 %

Acier

403.52 Kg Béton

12.48 Kg Acier

Tableau III : Inventaire des constituants de l’éolienne

A l’aide de cet inventaire, nous avons déterminé la

quantité d’énergie nette et les émissions de CO2 liées à

la fabrication de l’éolienne. Les calculs sont basés sur les

énergies intrinsèques à chaque matériau ainsi que

l’énergie nécessaire au processus de fabrication.

Les résultats sont présentés dans le tableau IV.

De cette manière, nous avons établi l’écobilan du système

complet éolien photovoltaïque avec stockage. Ce bilan

prend en compte les énergies nécessaires à la production

des différents composants ainsi que les énergies

consommées durant la durée de vie du système (25 ans)

dissipées en transport et en travaux de maintenance.

Le tableau V montre l’écobilan du système hybride. Ce

sont les batteries qui sont les plus gourmandes en besoins

énergétiques primaires et les plus polluantes à cause de

leur remplacement régulier tous les 5 ans. On remarque

aussi que l’éolienne est plus efficace énergétiquement que

les panneaux photovoltaïques avec une énergie requise de

1608.55MJ/m² contre 4600MJ/m² pour les panneaux. De

même, son impact environnemental est moins important

avec 110.42 KgCO2 pour 1m² de surface éolienne contre

303.60KgCO2 par m² de surface photovoltaïque.

Matériel

Type de matériau Quantité

(Kg)

Energie

intrinsèque

(MJ/kg)

Emissions

CO2

intrinsèques

(KgCO2/kg)

Energie

totale

investie

(MJ)

Energie

totale

investie

(KWh)

Emis.

totales de

CO2

(KgCO2)

Source

Acier 275.5 24.4 1.77 6722.2 1868.771 487.635 [29]

Aluminium&

Aimants

permanent*

18.17 155 8.24 2816.35 782.945 149.720 [29]

Cuivre 11.03 48 3.01 529.44 147.184 33.2 [29]

Fibre de verre 7.5 28 1.53 210 58.38 11.475 [30]

Plastique

renforcé de

verre

1.313 100 8.1 131.3 36.5 10.635 [30]

Béton** 403.5 0.9 0.12 363.15 100.955 48.42 [30]

Total 10772.44 2994.73 741.08

Fabrication

Processus de

fabrication de

l’éolienne

1

éolienne

NA 0.066

KgCO2/MJ

600 166.8 39.6 Estimation

Bilan total 11372.44 3161.53 780.68

Tableau IV : Analyse énergétique de l’éolienne

Elément Energie

requise

(MJ)

Energie

requise

(kwh)

Emissions CO2

(KgCO2)

Panneaux PV 15170.8 2217.48 1001.272

Eolienne & Tour 11372.44 3161.53 780.685

Batteries (4*103Ah)

(initial)

4532 1259.89 299.112

Batteries (4*103Ah)

(après 5 ans)

4309.886 1198.15 284.452

Batteries (4*103Ah)

(après 10ans)

4098.659 1139.43 270.515

Batteries (4*103Ah)

(après 15ans)

3897.784 1083.58 257.254

Batteries (4*103Ah)

(après 20ans)

3706.754 1030.48 244.646

Régulateur de

charge (1Kwel)

(initial)

1000 278 66

Régulateur de

charge (1Kwel)

(après 15ans)

860.058 239.1 56.764

PV contrôleur

mppt (48V/15A)

(initial)

720 200.16 47.52

PV contrôleur

mppt (48V/15A)

(après 15ans)

619.242 172.15 40.87

Onduleur (1Kw)

(initial)

1600 444.8 105.6

Onduleur (1Kw)

(après 15ans)

1376.093 382.55 90.822

BOS 1154.3 320.89 76.184

Transport* 680 189.04 48.5

Installation** 10 2.78 0.66

Maintenance** 100 27.8 6.6

Démontage** 500 139 33

Bilan total 55708.616 14486.827 3710.456

*On suppose que les produits ensembles pèsent 1 tonne et proviennent de la région

Poitou-Charentes qui souhaite développer la filière des énergies renouvelables, soit une

distance parcourue maximale de 500 Km avec des facteurs de : 1.36MJ/tonne. Km et

0.097 KgCO2/tonne.Km

**Approximation

Tableau IV : Ecobilan du système hybride Eolien photovoltaïque avec

stockage

Selon cet écobilan, le temps de récupération de l’énergie

qui a été investie pour la mise en fonction du système

hybride est estimé par [28] :

= 14486.827/[(3037+633.9)]=3.95années = 47mois (12)

De même l’intensité énergétique ainsi que l’impact

environnemental de chaque KWh produit par les sources

renouvelables peuvent être calculés de la manière

suivante [6] :

25]./)(_[

)](__[_

ankwhproduiteEnergie

MJrequisetotaleEnergieénergieIntensité =

=55708.616/[(3037+633.9)*25]=0.607MJ/kwh

=0.169 kwh_prim/kwh (13)

25]./)(_[

]2__[_

ankwhproduiteEnergie

KgCOtotalesEmissionsimpactEnv =

=3710.456/ [(3037+633.9)*25] =0.04 KgCO2/kwh

=40 gCO2/Kwh (14)

Ces résultats sont à priori très inférieurs à celles des

centrales électriques en France (60gCO2/Kwh en

production mixte 10% combustibles fossiles, 78%

nucléaire, 12% renouvelables). De plus, il est important

de signaler qu’avec cette installation hybride, on évite les

émissions CO2 chaque année de :

2688 kwh*[(0.066-0.04) KgCO2] =70 KgCO2/an.

Ce qui prouve que l’installation et l’utilisation d’un tel

système a un impact moindre pour l’environnement.

VII.CONCLUSION

Cette étude a permis d’optimiser le dimensionnement

d’un système multi-sources avec batteries ainsi que

l’évaluation économique et environnementale d’un tel

système dédié à un habitat résidentiel de 4 personnes

« type » basé à La Rochelle. Les conclusions que nous

pouvons tirer de cette étude sont les suivantes :

• un système hybride bien dimensionné est

avantageux pour le développement durable vu son

faible impact environnemental et son coût

économique raisonnable. Dans le premier cas, il

faut compter presque 4 ans pour amortir le coût

écologique lié à la fabrication du système complet.

Pour le coût économique, il est d’environ

0.18€/KWh.

• ce sont les batteries qui sont les plus gourmandes

en énergies primaires et en émissions de CO2. Il

est important d’améliorer leur processus de

fabrication ainsi que leur durée de vie par des

techniques de gestion de l’énergie optimales par

exemple,

• notre analyse du cycle de vie faite pour l’éolienne

a montré que celle-ci est plus efficace

énergétiquement et moins polluante que les

panneaux PV. De plus, elle apporte des éléments

de réponse dans le domaine des faibles puissances,

peu souvent abordés dans la littérature en raison du

surcoût d’échelle.

Finalement, il est important de signaler que l’optimisation

du dimensionnement a été faite dans cet article en tenant

compte uniquement de l’aspect économique. Suite à cette

étude, nous estimons important de refaire l’optimisation

selon les deux critères économiques et écologiques afin

d’apporter une aide à la décision aux investisseurs

potentiels.

REMERCIMENTS

Nous tenons à remercier la région Poitou-Charentes

(Convention de recherche GERENER N° 08/RPC-R-003)

et le Conseil General de la Charente Maritime pour leurs

supports financiers à ces travaux de recherche.

REFERENCES

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generation”, Energy 33 (2008) 224–232

[2] Carl Johan Rydh, Bijörn A. Sandén, “Energy analysis of batteries in photovoltaic systems. Part I : Performance and energy requirements”, Energy Conversion and Management 46 (2005) 1957–1979

[3] Brian Fleck, Marc Huot, “Comparative life-cycle assessment of a small wind turbine for residential off-grid use”, Renewable Energy 34 (2009) 2688–2696

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[5] Varun, Ravi Prakash, Inder Krishnan Bhat, “Energy, economics and environmental impacts of renewable energy systems”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 2716–2721

[6] Varun , I.K. Bhat , Ravi Prakash, “LCA of renewable energy for electricity generation systems- A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1067–1073

[7] Global Meteorological Database for Engineers, Planners and Education : http://www.meteonorm.com/pages/en/meteonorm.php

[8] Données du vent : http://french.wunderground.com/history/airport/LFBH/2008/1/1/DailyHistory.html

[9] W.Shepherd and D.W Shepherd, “Energy studies”, Second edition, by Imperial College press, 2003, pp.306-311

[10] Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyil, “Wind Energy Handbook”, Chapter 4 , wind –Turbine performance, page 173, edition 2001

[11] Thomas Ackermann, “Wind Power in Power systems”, Chapter 24, Introduction to the modelling of wind turbines, page 527, edition 2005.

[12] Jaroslav Hofierka and Jàn Kanuk, “Assessment of photovoltaic potential in urban areas using open-source solar radiation tools”, Renewable Energy 34 (2009) 2206–2214

[13] Rachid BELFKIRA, Omessad HAJJI, Cristian NICHITA, Georges BARAKAT, “Optimal sizing of stand-alone hybrid wind/PV system with battery storage”, EPE 2007, Aalborg

[14] Koutroulis E., Kolokotsa D.,Potirakis A.,Kalaitzakis K.,“photovoltaic/wind-generator systems using genetic algorithms”, Solar Energy 2006.

[15] Miguel Rios Rivera, “Small wind/Photovoltaic hybrid renewable energy system optimization”, Master of science thesis,2008

[16] Mick Sagrillo, Ian Woofenden, ”Wind turbine buyer’s guide”, home power 119,June & July 2007

[17] Source des panneaux solaires et des produits d'énergies renouvelables à bas prix : www.wholesalesolar.com

[18] Hewitt D.Crane, Edwin M.Kinderman, Ripudaman Malhotra, “A cubic mile of oil, realities and options for averting the looming global energy crisis”, chapter 8, Energy efficiency and conservation, page 255, Oxford university Press,2010

[19] Optimization Toolbox 5.1: http://www.mathworks.com/products/optimization/

[20] Fmincon : Find minimum of constrained nonlinear multivariable function : http://www.mathworks.com/help/toolbox/optim/ug/fmincon.html

[21] World's Largest Site for Batteries : http://www.atbatt.com/product/3617.asp

[22] Dan Chiras, “The homeowner’s guide to renewable energy”, chapter 8, wind power-meeting your needs for electricity, page 229, edition 2006

[23] Vaughn Nelson, “Wind energy: Renewable Energy and the Environment”, chapter 12 Economics , cost of energy , page 249,edition 2009

[24] Les prix de l’électricité : http://bleuciel.edf.com/abonnement-et-contrat/les-prix/les-prix-de-l- electricite/mon-contrat-electricite-47799.html#acc52437

[25] Tom Markvart, Luis Castañer, “Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications”, part V, chapter 2, Energy Pay-Back Time and CO2 Emissions of PV systems, pages 870-884, edition 2003

[26] Eoliennes Kestrel : http://www.windpowerunlimited.com/wind_turbines/kestrel.htm

[27] Dan Ancona, Jim McVeigh, “Wind Turbine – Materials and Manufacturing Fact Sheet”, pdf 29 August 2001, Prepared for the Office of Industrial Technologies, US Department of Energy By Princeton Energy Resources International, LLC.

[28] Michael F. Ashby, “Materials and the Environment : Eco-Informed Material Choice”, chapter 7 : Eco-audits and eco-audit tools, Energy flows and payback time of a wind turbine, pages 146-148, edition 2009

[29] Energie intrinsèque (Embodied Energy): http://www.greenspec.co.uk/embodied-energy.php

[30] Geoff Hammond, Graig Jones, “Inventory of carbon and energy (ICE)”,Version 1.6a, University of Bath 2008